真厲害!祝賀中國科研人員再立新功

核聚變實驗裝置

【聚變能與受控核聚變】

聚變能是氫的兩個同位素——氘和氚發生融合反應所釋放出的巨大能量。

核聚變的機理

太陽是一個主要由氫元素和氦元素組成的巨大等離子體球，太陽內部每時每刻都在發生核聚變。這是由於太陽巨大質量向中心不斷施壓，在核心處形成約3000億個大氣壓的高壓和1500萬K的高溫，高溫高壓便點燃了核聚變。核聚變點燃後，巨大的輻射壓會向外圍擴張產生巨大張力，當這個張力正好抵禦住太陽質量的引力，引力壓和輻射壓就取得了一個平衡。這種平衡可以維持太陽持續核聚變長達100年。

太陽內部每時每刻都在發生核聚變

1951年5月12日，美國在埃尼威托克島上引爆了人類第一次核聚變，爆炸釋放的能量是廣島和長崎原子彈的數百倍。1966年12月8日，中國第一次核聚變在我國西部地區新疆羅布泊爆炸成功。這是中美兩國嘗試釋放聚變能的兩次試驗。

核聚變爆炸形成的蘑菇雲

隨着全球變暖，找到可以替代化石能源的未來能源迫在眉睫。聚變能，就是未來的清潔、高效、安全的終極能源之一。核聚變反應，釋放能量的效率非常高，核聚變的效率比化石能源的效率高了1000萬倍。海水中蘊藏着大約40萬億噸氘，一升水能夠提煉0.03克的氘，其發生聚變反應釋放的能量相當於燃燒300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚變反應所釋放出的能量，就相當於全球石油儲量燃燒的能量。因此，聚變能原料幾乎取之不盡，用之不竭。

但是，要將核聚變能變成電能，就必須像太陽一樣產生持續的核聚變。形象地說，就是要在地球上造一個「小太陽」。另外，還必須保證不會引起爆炸，從而將產生的熱能輸出，轉變成電能。這個過程就是受控核聚變。

受控核聚變示意圖

受控核聚變需要產生性能可控的超短脈衝高能電子束，使其定向沉積在高密度的氘、氚燃料中，迅速提高壓縮燃料的溫度，觸發聚變反應。當聚變反應產生的能量大於輸入能量的話，就叫做點火。根據點火方式的不同，又可將受控核聚變分為磁約束核聚變和激光核聚變兩種。

核聚變反應示意圖

【激光核聚變】

激光核聚變又叫做慣性約束核聚變，其利用高能量、高強度的激光對聚變材料，如氘、氚進行加熱，實現可控的核聚變用以獲得巨大的能量。

激光核聚變快點火方案中有一個非常重要的物理過程，需要使用超短脈衝的高能電子束攜帶能量到高密度等離子體中實現點火。早在1997年，張傑就提出了雙錐對撞點火的新型激光聚變方案雛形。快速點火方案將燃料點火與壓縮分開，使這兩個過程可以獨立優化，同時避免不穩定性。

激光核聚變原理圖

真正的大能量驗證實驗始於2018年。在我國自主研製的大型激光裝置——神光二號升級激光裝置上，2018年至今，張傑團隊已經做了6輪驗證實驗，通過1萬焦耳激光實驗證實了該方案中分解物理過程的可行性。 2026年之前，團隊將完成一共18輪驗證實驗。

神光二號激光裝置

【磁約束核聚變】

磁約束聚變是指利用圍成一圈的線圈通電所產生的強大環形磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處於熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量。

中國全超導托卡馬克核聚變裝置EAST

儘管科學家對受控核聚變的原理已經十分清楚了，但是要在地球上造出人造太陽來卻非常困難。這是因為太陽核心的壓強高達3000億個大氣壓，溫度只要1500萬度就能夠維持核聚變。在地球上，根本不可能實現這麼高的大氣壓，這就要求將溫度提高到1億度或以上，其難度是可想而知的。

在這場未來「無盡能源」的創造活動中，中國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST分別實現了100萬安培、1.6億度、1056秒等條件下的等離子體運行。已經完全達到預定目標，部分指標領先全球。

托卡馬克磁約束核聚變示意圖

【未來的展望】

聚變能發電一般要經歷實驗堆、示範堆和商用發電堆三個階段。目前，中美俄英日韓歐盟都處於實驗堆階段。其中，中美兩國在技術上領先其它各國。

已有中科院專家表示，即將開啟核聚變發電站的工程設計。這就意謂着，籌建示範堆驗證階段將與設計商用核電站同步進行。正如張傑院士預測的，聚變能作為人類社會能源的明天可能就在未來的十年、二十年的時間了。